KR101857470B1 - 공기 유량 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 실시예는 공기 공급량을 극 저유량까지 제어함으로써, 공기 블로워 또는 공기 압축기의 소모 출력을 줄이고, 저유량 구간에서 발생 가능성이 높은 스택 Dry 현상을 방지하여 스택 성능을 높게 유지하며, 고전위 노출 빈도를 감소시켜 스택의 내구 수명을 향상 시킨다.

Description

공기 유량 제어 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING AIR FLOW}
본 실시예는 차량의 연료 전지로 공급되는 공기 유량을 효율적으로 제어하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템을 운전시, 공기 공급량은 스택의 성능 및 시스템의 효율을 결정짓는 주요 인자이다.
스택의 성능을 최상의 상태로 유지하면서 공기 공급량을 최소화 하는 것은 공기 공급 제어의 주 목적이 된다. 공기 공급량은 전류량과 화학양론비(SR)에 따라 결정되는데, 이는 공기 흐름 제어기에 의해 수행된다. 공기 흐름 제어기는 STOP 상태가 아닌 이상, 셀 전압의 균일성 유지를 위하여 최소한의 공기 유량을 연료 전지로 공급할 수 있다.
연료 전지로 공급되는 최소한의 공기 유량은 통상, 30~50A의 전류에 의해 가능해지며, 이를 통해, 연료 전지의 셀 내부의 플러딩 현상을 방지하고, 전압 균일성을 보장할 수 있다.
그러나, 연료 전지로 최소한의 공기량을 공급하기 위하여, 유지되는 30~50A의 전류량이 매우 작은 상태로 오래 유지될 경우, 필요 공기 유량보다 초과로 연료 전지로 공급됨으로써, 공급 시간이 늘어난다.
공급 시간이 늘어나면, 연료 전지의 스택 내부는 건조 상태가 되며, 공기 블로워가 필요 이상으로 에너지를 소모시키는 원인이 되었다.
일본공개특허 : 제2011-008990호(공개일 : 2011.01.13)
본 실시예는 고 전류 내지 저 전류 영역내에서도 연료전지 시스템의 효율과 연비 향상 및 연료전지의 스택 성능을 유지하기 위한 공기 유량 제어 방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
하나의 실시예에 따르면, 공기 유량 제어 시스템을 통해 연료 전지로 공급되는 공기 블로워의 공기 유량을 제어하기 위한 방법으로서, 공기 블로워의 제1 공기 유량에 대응하여 요구된 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량보다 큰지를 판단하는 단계; 상기 제1 전류 요구량이 상기 기설정된 제2 전류 요구량보다 작은 경우, 상기 연료 전지로 공급할 제1 목표 유량을 계산하는 단계; 상기 제1 목표 유량이 유량 센서에서 표출 가능한 제2 공기 유량보다 큰지를 판단하는 단계; 및 상기 제1 목표 유량이 상기 제2 공기 유량보다 작은 경우, 상기 제1 목표 유량을 극 저유량으로 설정하고, 상기 설정된 극 저유량에 매칭된 제3 전류 요구량과 제1 Rpm을 통해 상기 극 저유량을 제어하는 단계를 포함하는 공기 유량 제어 방법을 제공한다.
상기 공기 유량 제어 방법은 상기 제1 전류 요구량이 상기 기설정된 제2 전류 요구량보다 큰 경우, 상기 제1 목표 유량보다 큰 제2 목표 유량을 계산하는 단계; 및 상기 제2 목표 유량에 대응하여 요구된 제4 전류 요구량과 제2 Rpm을 통해 상기 제2 목표 유량을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 유량 제어 방법은 상기 제1 목표 유량이 상기 제2 공기 유량보다 큰 경우, 배터리에서 발생된 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC보다 작은지를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 유량 제어 방법은 상기 제1 배터리 SOC가 상기 제2 배터리 SOC보다 작은 경우, 상기 제2 공기 유량을 고정 목표 유량으로 유지하는 단계; 및 상기 유지된 고정 목표 유량에 대응하여 요구된 제5 전류 요구량과 제3 Rpm을 통해 상기 고정 목표 유량을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 유량 제어 방법은 상기 제1 배터리 SOC가 상기 제2 배터리 SOC보다 큰 경우, 상기 제2 목표 유량보다 작은 제3 목표 유량을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 제3 목표 유량에 대응하여 요구된 제6 전류 요구량과 제4 Rpm을 통해 상기 제3 목표 유량을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 연료 전지로 공급되는 공기 블로워의 공기 유량을 측정하는 유량 센서; 모터로부터 발생된 Rpm을 측정하는 Rpm 센서; 및 상기 측정된 공기 유량의 조절에 따라 요구된 전류 요구량을 계산하고, 상기 계산된 전류 요구량에 매칭된 상기 Rpm을 통해 상기 공기 유량을 제어하는 제어 유닛을 포함하는 공기 유량 제어 시스템을 제공한다.
상기 제어 유닛은 공기 블로워의 제1 공기 유량에 대응하여 요구된 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량보다 큰지를 판단하는 제1 판단 모듈; 상기 제1 전류 요구량이 상기 기설정된 제2 전류 요구량보다 작은 경우, 상기 연료 전지로 공급할 제1 목표 유량을 계산하는 제1 계산 모듈; 상기 제1 목표 유량이 유량 센서에서 표출 가능한 제2 공기 유량보다 큰지를 판단하는 제2 판단 모듈; 및 상기 제1 목표 유량이 상기 제2 공기 유량보다 작은 경우, 상기 제1 목표 유량을 극 저유량으로 설정하고, 상기 설정된 극 저유량에서 요구된 제3 전류 요구량과 제1 Rpm을 통해 상기 극 저유량을 제어하는 제1 제어 모듈을 포함한다.
상기 제어 유닛은 상기 제1 전류 요구량이 상기 기설정된 제2 전류 요구량보다 큰 경우, 상기 제1 목표 유량보다 큰 제2 목표 유량을 계산하는 제2 계산 모듈; 및 상기 제2 목표 유량에 대응하여 요구된 제4 전류 요구량과 제2 Rpm을 통해 상기 제2 목표 유량을 제어하는 제2 제어 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 제어 유닛은 상기 제1 목표 유량이 상기 제2 공기 유량보다 큰 경우, 배터리에서 발생된 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC보다 작은지를 판단하는 제3 판단 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 제어 유닛은 상기 제1 배터리 SOC가 상기 제2 배터리 SOC보다 작은 경우, 상기 제2 공기 유량을 고정 목표 유량으로 유지하는 제3 제어 모듈; 및 상기 유지된 고정 목표 유량에 대응하여 요구된 제5 전류 요구량과 제3 Rpm을 통해 상기 고정 목표 유량을 제어하는 제4 제어 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 제어 유닛은 상기 제1 배터리 SOC가 상기 제2 배터리 SOC보다 큰 경우, 상기 제2 목표 유량보다 작은 제3 목표 유량을 계산하는 제3 계산 모듈; 및 상기 계산된 제3 목표 유량에 대응하여 요구된 제6 전류 요구량과 제4 Rpm을 통해 상기 제3 목표 유량을 제어하는 제5 제어 모듈을 더 포함할 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 공기 유량 제어 시스템을 통해 연료 전지로 공급되는 공기 압축기 및 공기 압력 제어 밸브의 공기 유량을 제어하기 위한 방법으로서, 상기 공기 압축기의 제1 공기 유량에 대응하여 요구된 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량보다 크고 기설정된 제3 전류 요구량보다 작은지를 판단하는 단계; 상기 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량 및 제3 전류 요구량보다 각각 작은 경우(상기 제2 전류 요구량은 상기 제3 전류 요구량보다 작음), 배터리에서 발생된 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC보다 작은지를 판단하는 단계; 상기 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC보다 작은 경우, 상기 제1 공기 유량보다 작은 공기 압축기의 고정 목표 유량을 유지하는 단계; 및 상기 유지된 고정 목표 유량을 상기 제2 전류 요구량보다 작은 제1 전류 요구량에 매칭된 제3 Rpm 및 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 제어하는 단계를 포함하는 공기 유량 제어 방법을 제공한다.
상기 공기 유량 제어 방법은 상기 기설정된 제3 전류 요구량보다 작은지를 판단하기 전, 상기 제1 전류 요구량이 상기 기설정된 제3 전류 요구량보다 큰지를 판단하는 단계; 상기 제1 전류 요구량이 상기 기설정된 제3 전류 요구량보다 큰 경우, 상기 연료 전지로 공급할 상기 공기 압축기의 제1 목표 유량을 계산하는 단계; 및 상기 제1 전류 요구량에 매칭된 제1 Rpm을 통해 상기 계산된 공기 압축기의 제1 목표 유량을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 유량 제어 방법은 상기 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량보다 크고 기설정된 제3 전류 요구량보다 작은 경우, 상기 고정 목표 유량보다 크고, 상기 제1 목표 유량보다 작은 상기 공기 압축기의 제2 목표 유량을 계산하는 단계; 및 상기 제2 목표 유량에 대응하여 요구된 제2 Rpm의 제한하에, 상기 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 상기 제2 목표 유량을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 유량 제어 방법은 상기 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC보다 큰 경우, 상기 고정 목표 유량과 동일한 공기 압축기의 제3 목표 유량을 계산하는 단계; 상기 제3 목표 유량이 유량 센서에서 표출 가능한 제2 공기 유량보다 작은지를 판단하는 단계; 및 상기 제3 목표 유량이 상기 제2 공기 유량보다 작은 경우, 상기 제3 목표 유량을 극 저유량으로 설정하고, 상기 설정된 극 저유량에 대응하여 요구된 제4 전류 요구량 대비 상기 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 상기 극 저유량을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 연료 전지로 공급되는 공기 압축기 및 공기 압력 제어 밸브의 공기 유량을 측정하는 유량 센서; 모터로부터 발생된 Rpm을 측정하는 Rpm 센서; 및 상기 측정된 공기 유량의 조절에 따라 요구된 전류 요구량을 계산하고, 상기 계산된 전류 요구량에 매칭된 상기 Rpm 및 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 공기 압축기 및 공기 압력 제어 밸브의 공기 유량을 제어하는 제어 유닛을 포함하는 공기 유량 제어 시스템을 제공한다.
상기 제어 유닛은 상기 공기 압축기의 제1 공기 유량에 대응하여 요구된 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량보다 크고 기설정된 제3 전류 요구량보다 작은지를 판단하는 제1 판단 모듈; 상기 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량 및 제3 전류 요구량보다 각각 작은 경우(상기 제2 전류 요구량은 상기 제3 전류 요구량보다 작음), 배터리에서 발생된 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC보다 작은지를 판단하는 제2 판단 모듈; 상기 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC보다 작은 경우, 상기 제1 공기 유량보다 작은 공기 압축기의 고정 목표 유량을 유지하는 제1 제어 모듈; 및 상기 유지된 고정 목표 유량을 상기 제2 전류 요구량보다 작은 제1 전류 요구량에에 매칭된 제3 Rpm 및 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 제어하는 제2 제어 모듈을 포함한다.
상기 제어 유닛은 상기 제1 전류 요구량이 상기 기설정된 제3 전류 요구량보다 큰지를 판단하는 제3 판단 모듈; 상기 제1 전류 요구량이 상기 기설정된 제3 전류 요구량보다 큰 경우, 상기 연료 전지로 공급할 상기 공기 압축기의 제1 목표 유량을 계산하는 제1 계산 모듈; 및 상기 제1 전류 요구량에 매칭된 제1 Rpm을 통해 상기 계산된 공기 압축기의 제1 목표 유량을 제어하는 제3 제어 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 제어 유닛은 상기 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량보다 크고 기설정된 제3 전류 요구량보다 작은 경우, 상기 고정 목표 유량보다 크고, 상기 제1 목표 유량보다 작은 상기 공기 압축기의 제2 목표 유량을 계산하는 제2 계산 모듈; 및 상기 제2 목표 유량에 대응하여 요구된 제2 Rpm의 제한하에, 상기 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 상기 제2 목표 유량을 제어하는 제4 제어 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 제어 유닛은 상기 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC보다 큰 경우, 상기 고정 목표 유량과 동일한 공기 압축기의 제3 목표 유량을 계산하는 제3 계산 모듈; 상기 제3 목표 유량이 유량 센서에서 표출 가능한 제2 공기 유량보다 작은지를 판단하는 제3 판단 모듈; 및 상기 제3 목표 유량이 상기 제2 공기 유량보다 작은 경우, 상기 제3 목표 유량을 극 저유량으로 설정하고, 상기 설정된 극 저유량에 대응하여 요구된 제4 전류 요구량 대비 상기 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 상기 극 저유량을 제어하는 제5 제어 모듈을 더 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예는 저 전류 영역의 공기 유량 대비 Rpm을 Rpm MAP 제어 등을 통해 대폭 저감시켜, 공기 블로워의 소모 에너지를 감소 시키고, 연료 전지 스택의 Dry Out 현상을 방지하며, 스택의 I-V 성능을 유지시킴으로 인하여, 전체적인 시스템 효율 및 연료 전지 차량의 연비 향상을 도모한다.
또한, 본 실시예는 저 전류 영역의 공기 유량 대비 Rpm을 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 대폭 저감시켜, 공기 압축기의 소모 에너지를 감소 시키고, 연료 전지 스택의 Dry Out 현상을 방지하며, 스택의 I-V 성능을 유지시킴으로 인하여, 전체적인 시스템 효율 및 연료 전지 차량의 연비 향상을 도모한다.
또한, 본 실시예는 공기 블로워 타입 또는 공기 압축기 타입의 저전류 영역에서, 매우 작은 전류로 연료 전지 전압을 낮게 유지할 수 있기 때문에 고전위 노출 빈도를 감소시켜 연료 전지의 내구성을 향상시킨다.
이상의 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 공기 유량 제어 방법의 일례를 예시적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 도 1의 공기 유량 제어 방법을 실현하는 공기 유량 제어 시스템의 일례를 나타낸 블럭 구성도이다.
도 3은 도 1의 공기 유량 제어 방법에서 쓰이는 인자들을 도식화하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 공기 유량 제어 시스템의 일례를 예시적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 일 실시예에 따른 공기 유량 제어 방법의 다른 일례를 예시적으로 나타낸 순서도이다.
도 6은 도 5(a) 및 도 5(b)의 공기 유량 제어 방법을 실현하는 공기 유량 제어 시스템의 일례를 나타낸 블럭 구성도이다.
도 7은 도 5(a) 및 도 5(b)의 공기 유량 제어 방법에서 쓰이는 인자들을 도식화하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 공기 유량 제어 시스템의 다른 일례를 예시적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
이하, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 개시되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈"은 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 개시되는 제1 및 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 명세서에 개시된 공기 유량 제어 시스템은 종래 기술에서 밝힌 연료 전지 시스템(가압용)의 일부이거나 동등한 개념의 시스템을 가리키며, 공기 유량 제어에 필요한 요구 전류량은 운전자의 가속 의지(Accel Depth 등)를 반영하여 전력 분배 기능을 통해 실현되는 연료 전지의 요청된 전류 크기를 가리키는 용어로서 사용된다.
이하에서는, 공기 유량을 최적으로 제어하기 위한 방법과 시스템에 대하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
<공기 유량 제어 방법의 예>
도 1은 일 실시예에 따른 공기 유량 제어 방법의 일례를 예시적으로 나타낸 순서도이고, 도 2는 도 1의 공기 유량 제어 방법을 실현하는 공기 유량 제어 시스템의 일례를 나타낸 블럭 구성도이며, 도 3은 도 1의 공기 유량 제어 방법에서 쓰이는 인자들을 도식화하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 도 1를 설명할 때 보조적으로 인용하기로 한다.
도 2에 도시된 공기 유량 제어 시스템(200)은 연료 전지로 공급되는 공기 블로워(201)의 공기 유량을 측정하는 유량 센서(210), 모터로부터 발생된 Rpm을 측정하는 Rpm 센서(220) 및 유량 센서(210)로부터 측정된 공기 유량을 활용하여 공기 블로워(201)에서 발생된 공기 유량을 조절하고, 조절된 공기 유량에 맞게 요구된 전류 요구량 및 Rpm을 적용하여 공기 유량을 제어하는 제어 유닛(230)을 포함할 수 있다.
이중에서, 제어 유닛(230)은 유량 센서(210) 및 Rpm 센서(220) 등을 통해 공기 블로워(201)에서 발생된 공기 유량을 실질적으로 제어하는 모듈로서, 이를 통해 실현되는 공기 유량 제어 방법은 다음과 같다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 공기 유량 제어 방법(100)은 공기 유량 제어 시스템(200), 예컨대 제어 유닛(230)을 통해 연료 전지(202)로 공급되는 공기 블로워(201)의 공기 유량을 제어하기 위하여, 110 단계 내지 165 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 예시적인 110 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(200)은 유량 센서(210)를 통해 측정된 공기 블로워(201)의 제1 공기 유량에 대응하여 요구되어진 제1 전류 요구량을 계산할 수 있다.
통상, 공기 유량이 커지면, 이를 제어하기 위한 Rpm과 전류 요구량이 증가되는 것 처럼, 이들간 상관 관계를 통해 전류 요구량을 계산할 수 있다. 예를 들어, 제1 공기 유량의 크기가 결정되면, 그에 맞게 상관 관계를 가지고 있는 제1 전류 요구량이 자동적으로 계산되어질 수 있다.
이에 따라, 예시적인 115 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(200)은 공기 블로워(201)의 제1 공기 유량에 대응하여 계산된(요구된) 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량(A)보다 큰지를 판단할 수 있다.
예를 들면, 예시적인 120 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(200)은 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량(A)보다 작은 경우, 공기 블로워(201)에서 연료 전지(202)로 공급할 제1 목표 유량을 계산할 수 있다.
이때, 제1 목표 유량은 도 3에 도시된 ② 및 ③ 구간에 존재하는 공기 블로워(201)의 임의적인 공기 유량을 의미할 수 있다.
그러나, 예시적인 125 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(200)은 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량(A) 보다 큰 경우, 전술한 제1 목표 유량보다 큰 제2 목표 유량, 예컨대 도 3에 도시된 ① 구간에 있는 임의의 제2 목표 유량을 계산할 수 있다.
이에 따라, 예시적인 130 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(200)은 제2 목표 유량에 대응하여 요구된 제4 전류 요구량과 제2 Rpm을 통해 제2 목표 유량을 제어할 수 있다.
제3 전류 요구량과 제2 Rpm은 도 3의 그래프에서와 같이 공기 유량, 전류 요구량 및 Rpm의 상관 관계를 통해 쉽게 계산되거나 Rpm 센서(220)로부터 획득되어질 수 있다.
여기서, 제4 전류 요구량과 제2 Rpm을 통한 제2 목표 유량 제어는 Rpm PI 제어 방식이라 지칭할 수 있다.
Rpm PI 제어 방식은 통상적으로 널리 알려진 자동제어 방식인 PID(Proportinal :비례, Integral : 적분, Differential : 미분 제어의 조합) 제어 중 PI 제어만을 이용하는 방식일 수 있다.
한편, 전술한 120 단계 이후, 135 단계를 수행한다.
즉, 예시적인 135 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(200)은 제1 목표 유량이 유량 센서(210)에서 표출 가능한 제2 공기 유량(B)보다 큰지를 판단할 수 있다.
통상, 차량에서 사용하는 유량 센서(210)의 경우, 공기 유량 변화에 따라 5V 전압 출력 신호가 변동(PWM Type의 경우 유량에 따라 출력 Duty 변동)하게 되는데, 유량 센서(210)의 사양에 따라 0~0.5V 구간, 4.5~5V 구간의 출력은 정상적인 공기 유량을 표출할 수 없는 구간으로 판정하고, 유량값을 신뢰 할 수 없기 때문에 목표 유량 기반 Rpm PI 제어를 수행 할 수 없다.
특히, 블로워 타입의 공기 제어에 쓰이는 유량 센서는 5kg/h 이하의 공기 유량을 갖는 영역에서는 공기 유량을 측정할 수 없다. 5kg/h의 공기 유량은 대략 2500 Rpm 이하 구동시에 해당되는 수치일 수 있다.
이를 통해 알 수 있듯이, 135 단계에서 필요한 제2 공기 유량은 전술한 유량 센서(210)에서 측정 가능한 최소 공기 유량의 기준에 해당하는 공기량을 의미할 수 있다.
전술한 유량 센서(210) 대신 정밀 유량 센서를 사용할 수 있으나, 비용이 증대되는 단점이 있어, 본 실시예서는 적용하지 않음을 미리 밝혀둔다.
예시적인 140 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(200)은 제1 목표 유량이 유량 센서(210)에서 측정 가능한(표출 가능한) 공기 유량인 제2 공기 유량보다 작은 경우, 제1 목표 유량을 극 저유량인 것으로 설정(판정)할 수 있다. 극 저유량의 구간은 도 3의 ③ 영역을 의미한다.
통상, 도 3의 ③ 영역과 같은 저전류 영역에서 공기 유량을 매우 작게 공급할 경우, 셀 내부 부분적이 플러딩이 발생하고, 공기 유량에 의한 물 배출성이 저하되는 단점이 있으나, 시험적으로 저전류 영역에서 부분적 공기 부족으로 인한 셀 전압 균일성의 훼손은, 실질적으로 스택의 내구성 및 전압 성능에 영향을 주지 않음이 시험적으로 판명되었다.
기본적으로 공기 공급량을 저전류 영역까지 요구된 전류 요구량에 기반하여 운전하는데는 큰 문제가 없다.
그러나, 공기 유량이 극 저유량까지 낮아질 경우, 전술한 바와 같이 유량 센서(210)의 표출 가능한 제2 공기 유량보다 작은 극 저유량까지 제어할 필요성이 생기게 되는데, 이런 경우에는 요구된 전류 요구량에 따른 공기 블로워의 공기 유량을 제어하지 않고, 요구된 Rpm 대비 전류 요구량의 1:1 맵핑을 통해 공기 유량을 제어할 수 있다.
예를 들면, 예시적인 140 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(200)은 극 저유량에 매칭된 제3 전류 요구량과 제1 Rpm을 1:1 맵핑하여 공기 블로워(201)의 극 저유량을 제어할 수 있다.
이런 극 저유량 제어를 가리켜 'Rpm Map 제어'라 지칭할 수 있다. 한편, 전술한 135 단계에서 긍정인 경우, 145 단계를 수행할 수 있다.
즉, 예시적인 145 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(200)은 전술한 135 단계에 의해 실현된 제1 목표 유량이 유량 센서(210)에서 표출 가능한 제2 공기 유량 보다 큰 경우, 배터리(미도시)로부터 발생(획득된)된 임의의 제1 배터리 SOC(State Of Charge)가 기설정된 제2 배터리 SOC(C)보다 작은지를 판단할 수 있다.
기설정된 제2 배터리 SOC는 도 3의 ② 구간과 ④ 구간을 구분하는 기준 역할을 할 수 있다.
예시적인 150 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(200)은 제1 배터리 SOC가 상기 제2 배터리 SOC보다 작은 경우, 유량 센서(210)에서 표출 가능한 제2 공기 유량을 고정 목표 유량으로 유지할 수 있다.
예를 들면, 차량 운전 중, 고전압의 배터리 SOC가 낮은 상태에서 극 저전류 운전(예: 도 3의 ③ 및/또는 ② 구간, IDLE)시, 배터리를 충전해줘야 하는데, 전술한 Rpm Map 제어로 인해 공기 공급량이 줄어들면, 연료 전지가 저 효율의 배터리 충전이 이루어질 수 있으며, 작은 배터리 충전 전류로 인해 연료 전지의 전압이 매우 낮아져 배터리 충전이 충분히 이루어지지 못하는 문제가 발생 할 수 있다.
이에 따라, 150 단계의 공기 유량 제어 시스템(200)은 배터리 SOC가 매우 낮아 배터리의 강제 충전이 필요한 경우, 도 3의 ③ 구간에 해당하는 Rpm Map 제어를 회피하고, 최소한의 공기 유량 공급, 예컨대 전술한 유량 센서(210)에서 표출 가능한 최소 공기 유량인 제2 공기 유량을 고정 목표 유량으로 유지하게 되는 것이다.
예시적인 155 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(200)은 전술한 150 단계에 의해 유지된 고정 목표 유량에 대응하여 요구된 제5 전류 요구량과 제3 Rpm을 통해 고정 목표 유량을 제어할 수 있다.
고정 목표 유량 제어는 도 3의 ② 구간을 실현하기 위한 제어에 해당된다.
그러나, 예시적인 160 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(200)은 전술한 145 단계의 판단 결과, 즉 제1 배터리 SOC가 상기 제2 배터리 SOC보다 큰 경우, 전술한 제1 목표 유량보다 크고, 제2 목표 유량보다 작은 제3 목표 유량을 계산할 수 있다.
예시적인 165 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(200)은 계산된 제3 목표 유량에 대응하여 요구된 제6 전류 요구량과 제4 Rpm을 통해 제3 목표 유량을 제어할 수 있다.
예를 들면, 고전압 배터리의 방전 모드 운전으로 인해, 배터리 SOC가 많이 하락한 경우에는 도 3의 ③ 구간의 극저 유량과 ② 구간의 저 유량까지 제어를 수행하지 않고, 배터리 강제 충전을 위해 제2 목표 유량보다 작은 제3 목표 유량을 제어하게 된다.
이런 제어도 전술한 Rpm PI 제어 방식으로서, 도 3의 ④ 구간을 실현하기 위한 제어에 해당된다.
이와 같이, 본 실시예에서는 저전류 영역에서의 공기 유량이 줄어들어 상대적으로 본 기술의 성능이 낮은 영역 예컨대 저 전류 영역(도 3의 ② 구간) 및 극 전류 영역(도 3의 ③ 구간)에서의 성능 하락 이라는 단점이 발생하지만, 40A 이상의 중전류 이상 영역(도 3의 ④ 구간과 ① 구간 영역에 해당됨)에서는 스택 성능이 향상되는 장점이 있다.
따라서, 중전류 이상 영역에서는 향상된 성능으로 인해 상대적으로 낮은 전류로도 동일한 출력을 발휘할 수 있기 때문에 수소 사용량을 절감할 수 있다.
예를 들면, 전체적인 에너지 관점에서 UDDS(Urban Dynamometer Driving Schedule) 모드 운전 시,약 1.7% 정도의 수소사용량(에너지)를 절감할 수 있다. UDDS를 반복하여 운전한 경우, 기존 기술은 Dry-Out 현상이 심화되어, 본 기술과의 평균전류(수소 사용량) 및 에너지 소모량의 차이가 더 벌어진다.
<공기 유량 제어 시스템의 예>
도 4는 일 실시예에 따른 공기 유량 제어 시스템의 일례를 예시적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
전술한 도 3은 도 4를 설명할 때 보조적으로 인용하기로 한다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 공기 유량 제어 시스템(300)은 연료 전지로 공급되는 공기 블로워(301)의 공기 유량을 측정하는 유량 센서(310)와, 모터로부터 발생된 Rpm을 측정하는 Rpm 센서(320)와, 측정된 공기 유량의 조절에 따라 요구된 전류 요구량을 계산하고, 계산된 전류 요구량에 매칭된 Rpm을 통해 공기 유량을 제어하는 제어 유닛(330)을 포함한다.
상기 제어 유닛(330)은 도 3의 ③ 구간에 해당하는 Rpm Map 제어를 실현하기 위하여 공기 블로워(301)의 제1 공기 유량에 대응하여 요구된 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량보다 큰지를 판단하는 제1 판단 모듈(331)과, 상기 제1 전류 요구량이 상기 기설정된 제2 전류 요구량보다 작은 경우, 상기 연료 전지(302)로 공급할 제1 목표 유량을 계산하는 제1 계산 모듈(332)과, 상기 제1 목표 유량이 유량 센서(310)에서 표출 가능한 제2 공기 유량보다 큰지를 판단하는 제2 판단 모듈(333)과, 상기 제1 목표 유량이 상기 제2 공기 유량보다 작은 경우 상기 제1 목표 유량을 극 저유량으로 설정하고, 상기 설정된 극 저유량에서 요구된 제3 전류 요구량과 제1 Rpm을 통해 상기 극 저유량을 제어하는 제1 제어 모듈(334)을 포함할 수 있다.
더 나아가, 상기 제어 유닛(330)은 도 3의 ① 구간에 해당하는 Rpm PI 제어를 실현하기 위하여, 전술한 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량보다 큰 경우, 상기 제1 목표 유량보다 큰 제2 목표 유량을 계산하는 제2 계산 모듈(335)과 상기 제2 목표 유량에 대응하여 요구된 제4 전류 요구량과 제2 Rpm을 통해 상기 제2 목표 유량을 제어하는 제2 제어 모듈(336)을 더 포함할 수 있다.
게다가, 도 3의 ② 구간에 해당하는 고정 목표 유량 제어를 실현하기 위하여, 제어 유닛(330)은 전술한 제1 목표 유량이 제2 공기 유량보다 큰 경우, 배터리에서 발생된 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC보다 작은지를 판단하는 제3 판단 모듈(337)과, 상기 제1 배터리 SOC가 상기 제2 배터리 SOC보다 작은 경우, 상기 제2 공기 유량을 고정 목표 유량으로 유지하는 제3 제어 모듈(338)과, 상기 유지된 고정 목표 유량에 대응하여 요구된 제5 전류 요구량과 제3 Rpm을 통해 상기 고정 목표 유량을 제어하는 제4 제어 모듈(339)를 더 포함할 수 있다.
더 나아가, 도 3의 ④ 구간에 해당하는 Rpm PI 제어를 실현하기 위하여, 제어 유닛(330)은 제1 배터리 SOC가 제2 배터리 SOC보다 큰 경우, 제2 목표 유량보다 작은 제3 목표 유량을 계산하는 제3 계산 모듈(331A)과, 계산된 제3 목표 유량에 대응하여 요구된 제6 전류 요구량과 제4 Rpm을 통해 제3 목표 유량을 제어하는 제5 제어 모듈(331B)을 더 포함할 수 있다.
전술한 제어 유닛(330)을 통해 앞서 설명한 도 4에서 개시한 효과를 얻을 수 있음은 물론이다. 이에 대해서는 생략하기로 한다.
<공기 유량 제어 방법의 다른 예>
도 5(a) 및 도 5(b)는 일 실시예에 따른 공기 유량 제어 방법의 다른 일례를 예시적으로 나타낸 순서도이고, 도 6은 도 5(a) 및 도 5(b)의 공기 유량 제어 방법을 실현하는 공기 유량 제어 시스템의 일례를 나타낸 블럭 구성도이며, 도 7은 도 5(a) 및 도 5(b)의 공기 유량 제어 방법에서 쓰이는 인자들을 도식화하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 5(a) 및 도 5(b)를 설명할 때 인용하기로 한다.
도 6에 도시된 공기 유량 제어 시스템(400)은 연료 전지로 공급되는 공기 압축기(401) 및 공기 압력 제어 밸브(402)에서 발생된 공기 유량을 각각 측정하는 유량 센서(410)와, 모터로부터 발생된 Rpm을 측정하는 Rpm 센서(420)와, 상기 유량 센서(410)에서 측정된 공기 유량을 활용하여 상기 공기 압축기(401) 및 공기 압력 제어 밸브(402)의 공기 유량을 조절하고, 상기 조절된 공기 유량에 따라 요구된 전류 요구량을 계산하며, 상기 계산된 전류 요구량에 매칭된 상기 Rpm 및 공기 압력 제어 밸브(402)의 개도 교정을 통해 공기 압축기(401) 및 공기 압력 제어 밸브(402)의 공기 유량을 제어하는 제어 유닛(430)를 포함할 수 있다.
이중에서, 제어 유닛(430)은 전술한 유량 센서(410) 및 Rpm 센서(420) 등을 통해 공기 압축기(401) 및 공기 압력 제어 밸브(402)에서 발생된 공기 유량을 실질적으로 제어하는 모듈이다.
도 1 내지 도 4에서 설명한 각 공기 블로워 타입과 달리, 가압 운전용 연료 공급 시스템에 적용되는 공기 압축기(401), 예컨대 AirFoil 압축기의 경우에는 운전 Rpm에 제약이 따른다.
상기 공기 압축기(401)는 AirFoil 베어링을 장착하고 있는데, 상기 AirFoil 베어링의 특성상 특정 Rpm 미만에서는 작동되지 못한다. AirFoil의 베어링은 공기 유동을 압력으로 변환시켜 회전축을 부양하고, 윤활 기능도 수행하는 구조를 가지고 있기 때문에, 특정 Rpm 이하에서는 베어링을 공중에 띄울 수 있는 힘이 부족하여 동작이 불가능하다. 만약, 베어링을 동작 시키고자 하는 경우에는 기계적 손상이 발생할 수 있다.
따라서, 연료 전지(403)로 공기 유량을 공급하기 위해서는 일정 Rpm 이상으로 동작되어야 하기 때문에 기본적인 공기 유량이 발생이 필요하다.
연료전지 시스템에 적용되는 Aifoil 배어링 타입 압축기의 경우, 전 운전 영역을 커버하기 위해서는 저유량 구간 운전을 포기할 수 밖에 없다. 따라서, 공기 압축기 만으로는 본 실시예에서 목표로 하는 저유량 제어가 불가능 할 수 있다.
그러나, 가압 운전 시스템의 경우, 공기측 운전압력 제어를 위해 앞서 밝힌 바와 같이 공기 압력 제어 밸브(402)를 스택 출구단에 장착하게 되는데, 이것을 본 실시예서의 유량 제어에 활용 할 수 있다.
동일 Rpm 에서 공기 압력 제어 밸브의 개도를 줄이면 줄일 수록, 유동 저항이 증가하여 공기 유량은 감소하고, 압력은 상승한다. 그러나 저유량 구간에서는 공기 압력 제어 밸브(402)의 개도 변화에 따른 압력 변화가 매우 미미하나, 공기 유량의 변동은 상대적으로 커서, 공기 압축기(401)의 소모 동력이 감소하게 된다.
이로 인해, 본 실시예에서는 공기 압력 제어 밸브(402)의 개도 교정을 통해 Rpm을 낮추어 저유량 제어를 하는 것과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 본 실시예에서는 도 1 내지 도 4에서 설명한 공기 유량 제어 방법과 마찬가지로, 한계 Rpm 구동시 보다 더 낮은 유량을 제어할 필요가 있는 경우, 공기 압력 제어 밸브(402)의 개도 교정을 통해, 저 공기 유량을 제어할 수 있으며, 유량 센서(410)의 정상 표출 영역 보다 더 낮은 공기 유량 공급이 필요한 경우에도, 도 1 내지 도 4에서 설명한 공기 블로워 타입과 달리, 실험적으로 밝혀진 공기 압력 제어 밸브의 개도 대비 공기 유량간 1:1 맵핑을 통해 극 저전류 운전시 필요한 공기 유량을 제어할 수 있다.
이러한 특징들은 공기 유량 제어 시스템(400), 예컨대 공기 유량 제어 시스템(400)의 제어 유닛(430)에 의해 실현된다. 상기 공기 유량 제어 시스템(400)에 의해 실현되는 공기 유량 제어 방법은 다음과 같다.
도 5(a), 도 5(b) 및 도 7를 참조하면, 일 실시예에 따른 공기 유량 제어 방법(400)은 공기 유량 제어 시스템(400), 예컨대 제어 유닛(430)을 통해 연료 전지로 공급되는 공기 압축기(401) 및 공기 압력 제어 밸브(402)의 공기 유량을 제어하기 위하여 510 단계 내지 575 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 예시적인 510 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(400)은 유량 센서(410)를 통해 측정된 공기 압축기(401)의 제1 공기 유량에 대응하여 요구되어진 제1 전류 요구량을 계산할 수 있다.
통상, 공기 유량이 커지면, 이를 제어하기 위한 Rpm과 전류 요구량이 증가되는 것 처럼, 이들간 상관 관계를 통해 전류 요구량을 계산할 수 있다. 예를 들어, 제1 공기 유량의 크기가 결정되면, 그에 맞게 상관 관계를 가지고 있는 제1 전류 요구량이 자동적으로 계산되어질 수 있다.
이에 따라, 예시적인 515 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(400)은 공기 압축기(401)의 제1 공기 유량에 대응하여 계산된(요구된) 제1 전류 요구량이 기설정된 제3 전류 요구량(A)보다 큰지를 판단할 수 있다.
기설정된 제3 전류 요구량은 도 7의 ① 구간에 존재하는 임의의 크기를 갖는 전류 요구량을 의미할 수 있다.
예를 들면, 520 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(400)은 제1 전류 요구량이 기설정된 제3 전류 요구량보다 큰 경우, 연료 전지(403)로 공급할 공기 압축기(401)의 제1 목표 유량을 계산할 수 있다.
계산된 제1 목표 유량은 도 7의 ① 구간에 존재하는 임의의 크기를 갖는 공기 유량을 의미할 수 있다.
예시적인 525 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(400)은 제1 전류 요구량에 매칭된 제1 Rpm을 통해 계산된 공기 압축기(401)의 제1 목표 유량을 제어할 수 있다.
제1 전류 요구량과 제1 Rpm은 도 7의 ① 구간에서와 같이 공기 유량, 전류 요구량 및 Rpm의 상관 관계를 통해 쉽게 계산되거나 Rpm 센서(420)로부터 확인될 수 있다.
여기서, 제1 전류 요구량과 제1 Rpm을 통한 제1 목표 유량 제어를 가리켜, Rpm PI 제어 방식이라 지칭할 수 있다.
Rpm PI 제어 방식은 통상적으로 널리 알려진 자동제어 방식인 PID(Proportinal :비례, Integral : 적분, Differential : 미분 제어의 조합) 제어 중 PI 제어만을 이용하는 방식일 수 있다.
그러나, 공기 유량 제어 시스템(400)은 공기 유량 제어 시스템(400)은 제1 전류 요구량이 기설정된 제3 전류 요구량보다 작은 경우 이하의 단계들을 수행한다.
즉, 예시적인 530 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(400)은 공기 압축기(401)의 제1 공기 유량에 대응하여 계산된(요구된) 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량(B)보다 크고 기설정된 제3 전류 요구량(A)보다 작은지를 판단할 수 있다.
상기 기설정된 제2 전류 요구량은 도 7의 ② 구간 및 ③ 구간을 구분하는 기준이 된다.
예를 들면, 예시적인 535 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(400)은 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량보다 크고 기설정된 제3 전류 요구량보다 작은 경우, 전술한 제1 목표 유량보다 작은 공기 압축기(401)의 제2 목표 유량을 계산할 수 있다.
상기 제2 목표 유량은 도 7의 ② 구간에 존재하는 임의의 크기를 갖는 공기 유량을 의미할 수 있다.
예시적인 540 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(400)은 계산된 제2 목표 유량에 대응하여 공기 압력 제어 밸브(402)의 개도 교정을 통해 Rpm 센서(420)로부터 측정된 제2 Rpm을 제한할 수 있다. 이는 AirFoil의 베어링의 기계적 손상을 방지하기 위한 제한일 수 있다.
이에 따라, 540 단계의 공기 유량 제어 시스템(400)은 계산된 제2 목표 유량에 대응하여 요구된 제2 Rpm을 제한하는 범위 안에서 공기 압력 제어 밸브(402)의 개도 교정을 통해 제2 목표 유량을 제어할 수 있다.
제2 목표 유량 제어를 가리켜, '공기 압력 제어 밸브의 PI 제어 방식'이라 지칭할 수 있다.
공기 압력 제어 밸브의 PI 제어 방식은 통상적으로 널리 알려진 자동 제어 방식인 PID(Proportinal :비례, Integral : 적분, Differential : 미분 제어의 조합) 제어 중 PI 제어만을 이용한 방식일 수 있다.
예시적인 545 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(400)은 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량 및 제3 전류 요구량 보다 각각 작은 경우, 배터리에서 발생된 임의의 제1 배터리 SOC가 기설정된 임의의 제2 배터리 SOC(State Of Charge, C)보다 작은지를 판단할 수 있다.
기설정된 제2 배터리 SOC는 도 7의 ③ 구간과 ④ 구간을 구분하는 기준 역할을 할 수 있다.
예를 들면, 550 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(400)은 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC(C)보다 작은 경우, 전술한 제1 공기 유량 및/또는 제2 목표 유량보다 작은 공기 압축기의 고정 목표 유량을 공기 압력 제어 밸브(402)의 개도 교정을 통해 설정하여 유지할 수 있다.
여기서, 극 저전류 영역전(예: 도 3의 ③ 및/또는 ④ 구간, IDLE)에서 운전 시에는 고전압 배터리 SOC에 따라서 운전 방법을 달리 한다. SOC 저하 시에는 배터리 SOC 유지를 위해 강제 충전의 필요가 있으므로, 충분한 배터리 충전을 위해 공기 압력 제어 밸브(402)의 개도를 더 이상 감소 시키지 않고, 연료 전지 스택이 배터리 충전 출력을 정상적으로 공급 할 수 있도록, 배터리 SOC가 매우 낮아 배터리의 강제 충전이 필요한 경우, 전술한 제2 목표 유량보다 작은 고정 목표 유량을 설정하여 유지하게 되는 것이다.
상기 고정 목표 유량은 도 7의 ② 구간에 존재하는 제2 목표 유량보다 작은 ③ 구간을 의미하며, 극 저유량 구간에 해당될 수 있다.
이에 따라, 555 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(400)은 공기 압력 제어 밸브(402)의 개도 교정을 통해 제2 전류 요구량보다 작은 제1 전류 요구량에 매칭된 Rpm 센서(420)로부터 측정된 제3 Rpm을 제한할 수 있다. 이는 AirFoil의 베어링의 기계적 손상을 방지하기 위한 제한일 수 있다.
이에 따라, 555 단계의 공기 유량 제어 시스템(400)은 제3 Rpm을 제한하는 범위 안에서 공기 압력 제어 밸브(402)의 개도 교정을 통해 제2 목표 유량보다 작은 고정 목표 유량을 제어할 수 있다.
고정 목표 유량 제어를 가리켜, 전술한 제2 목표 유량 제어와 마찬가지로 공기 압력 제어 밸브의 PI 제어 방식이라 지칭할 수 있다.
한편, 전술한 545 단계에서 부정인 경우 이하의 단계들을 수행할 수 있다.
즉, 예시적인 560 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(400)은 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC(C)보다 큰 경우, 고정 목표 유량과 동일한 크기를 갖는 공기 압축기(401)의 제3 목표 유량을 계산할 수 있다.
예시적인 565 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(400)은 계산된 제3 목표 유량이 유량 센서(410)에서 표출 가능한 제2 공기 유량(D)보다 작은지를 판단할 수 있다.
통상, 차량에서 사용하는 유량 센서(410)의 경우, 공기 유량 변화에 따라 5V 전압 출력 신호가 변동(PWM Type의 경우 유량에 따라 출력 Duty 변동)하게 되는데, 유량 센서(210)의 사양에 따라 0~0.5V 구간, 4.5~5V 구간의 출력은 정상적인 공기 유량을 표출할 수 없는 구간으로 판정하고, 유량값을 신뢰 할 수 없기 때문에 목표 유량 기반 Rpm PI 제어를 수행 할 수 없다.
특히, 공기 압축기의 공기 제어에 쓰이는 유량 센서는 5kg/h 이하의 공기 유량을 갖는 영역에서는 공기 유량을 측정할 수 없다. 5kg/h의 공기 유량은 대략 2500 Rpm 이하 구동시에 해당되는 수치일 수 있다.
이를 통해 알 수 있듯이, 165 단계에서 필요한 제2 공기 유량(D)은 전술한 유량 센서(210)에서 측정 가능한 최소 공기 유량의 기준에 해당하는 공기량을 의미할 수 있다.
전술한 유량 센서(410) 대신 정밀 유량 센서를 사용할 수 있으나, 비용이 증대되는 단점이 있어, 본 실시예서는 적용하지 않음을 미리 밝혀둔다.
예시적인 570 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(400)은 제3 목표 유량이 제2 공기 유량보다 작은 경우, 계산된 제3 목표 유량에 대응하여 공기 압력 제어 밸브(402)의 개도 교정을 통해 Rpm 센서(420)로부터 측정된 제4 Rpm을 제한할 수 있다. 이는 AirFoil의 베어링의 기계적 손상을 방지하기 위한 제한일 수 있다.
이에 따라, 575 단계에서, 공기 유량 제어 시스템(400)은 계산된 제3 목표 유량을 극 저유량으로 설정하고, 설정된 극 저유량에 대응하여 요구된 제4 Rpm을 제한하는 범위 안에서 공기 압력 제어 밸브(402)의 개도 교정을 통해 극 저유량을 제어할 수 있다. 상기 제4 Rpm은 전술한 제3 Rpm과 동일할 수 있다.
이런 극 저유량 제어를 가리켜 '개도 Map 제어'라 지칭할 수 있다. 이러한 극 저유량 제어는 앞서 설명한 바와 같이 배터리 SOC가 매우 낮아 배터리의 강제 충전이 필요한 경우에 매우 유용하다.
이때, 극 저유량은 고정 목표 유량과 동일한 공기량을 가질 수 있음은 물론이다.
그러나, 전술한 565 단계에서, 제3 목표 유량이 제2 공기 유량보다 작은 경우에는 535 단계를 수행할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서 실현된 개도 Map 제어는 한계 Rpm 구동 시 보다 더 낮은 유량을 제어할 필요가 있는 경우, 공기 압력 제어 밸브(402)의 개도 교정(변동)을 통해, 낮은 공기 유량 공급을 제어할 수 있으며, 유량 센서(410)의 정상 표출 가능한 공기 유량보다 더 낮은 공기 유량 공급이 필요한 경우에도, 공기 압력 제어 밸브 개도 대비 공기 유량간 1: 1 맵핑을 통해 극 저전류 운전시에 필요한 공기 유량을 연료 전지로 원활히 공급 할 수 있다.
<공기 유량 제어 시스템의 다른 예>
도 8은 일 실시예에 따른 공기 유량 제어 시스템의 다른 일례를 예시적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
전술한 도 7은 도 8를 설명할 때 보조적으로 인용하기로 한다.
도 8를 참조하면, 일 실시예에 따른 공기 유량 제어 시스템(500)은 연료 전지로 공급되는 공기 압축기(501) 및 공기 압력 제어 밸브(502)에서 발생된 공기 유량을 각각 측정하는 유량 센서(510)와, 모터로부터 발생된 Rpm을 측정하는 Rpm 센서(520)와, 상기 유량 센서(510)에서 측정된 공기 유량을 활용하여 상기 공기 압축기(501) 및 공기 압력 제어 밸브(502)의 공기 유량을 조절하고, 상기 조절된 공기 유량에 따라 요구된 전류 요구량을 계산하며, 상기 계산된 전류 요구량에 매칭된 상기 Rpm 및 공기 압력 제어 밸브(502)의 개도 교정을 통해 공기 압축기(501) 및 공기 압력 제어 밸브(502)의 공기 유량을 제어하는 제어 유닛(530)를 포함할 수 있다.
상기 제어 유닛(530)은 도 7의 ③ 구간을 실현하기 위하여, 공기 압축기(501)의 제1 공기 유량에 대응하여 요구된 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량보다 크고 기설정된 제3 전류 요구량보다 작은지를 판단하는 제1 판단 모듈(531)과, 상기 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량 및 제3 전류 요구량보다 각각 작은 경우(상기 제2 전류 요구량은 상기 제3 전류 요구량보다 작음), 배터리에서 발생된 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC보다 작은지를 판단하는 제2 판단 모듈(532)과, 상기 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC보다 작은 경우, 상기 제1 공기 유량보다 작은 공기 압축기의 고정 목표 유량을 유지하는 제1 제어 모듈(533)과, 상기 유지된 고정 목표 유량을 상기 제2 전류 요구량보다 작은 제1 전류 요구량에 매칭된 제3 Rpm 및 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 제어하는 제2 제어 모듈(534)을 포함한다.
무엇보다도, 상기 제어 유닛(530)은 도 7의 ④ 구간을 실현하기 위하여, 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC보다 큰 경우, 고정 목표 유량과 동일한 공기 압축기의 제3 목표 유량을 계산하는 제3 계산 모듈(535)과, 상기 제3 목표 유량이 유량 센서에서 표출 가능한 제2 공기 유량보다 작은지를 판단하는 제4 판단 모듈(536)과, 상기 제3 목표 유량이 상기 제2 공기 유량보다 작은 경우, 상기 제3 목표 유량을 극 저유량으로 설정하고, 상기 설정된 극 저유량에 대응하여 요구된 제4 전류 요구량 대비 상기 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 상기 극 저유량을 제어하는 제5 제어 모듈(537)을 더 포함할 수 있다.
또한, 제어 유닛(530)은 은 도 7의 ① 구간을 실현하기 위하여, 제1 전류 요구량이 기설정된 제3 전류 요구량보다 큰지를 판단하는 제3 판단 모듈(538)과, 상기 제1 전류 요구량이 상기 기설정된 제3 전류 요구량보다 큰 경우, 상기 연료 전지로 공급할 상기 공기 압축기의 제1 목표 유량을 계산하는 제1 계산 모듈(539)과, 상기 제1 전류 요구량에 매칭된 제1 Rpm을 통해 상기 계산된 공기 압축기의 제1 목표 유량을 제어하는 제3 제어 모듈(531A)을 더 포함할 수 있다.
더 나아가, 제어 유닛(530)은 도 7의 ② 구간을 실현하기 위하여, 상기 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량보다 크고 기설정된 제3 전류 요구량보다 작은 경우, 상기 고정 목표 유량보다 크고, 상기 제1 목표 유량보다 작은 상기 공기 압축기의 제2 목표 유량을 계산하는 제2 계산 모듈(531B)과, 상기 제2 목표 유량에 대응하여 요구된 제2 Rpm의 제한하에, 상기 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 상기 제2 목표 유량을 제어하는 제4 제어 모듈(531C)을 더 포함할 수 있다.
도 7의 ① 구간은 목표 유량에 따른 Rpm PI 제어 영역이고, 도 7의 ② 구간과 ③ 구간은 공기 압력 제어 밸브의 PI 제어 영역(밸브 개도 제어 영역)으로서, 통상적으로 널리 알려진 자동 제어 방식인 PID(Proportinal :비례, Integral : 적분, Differential : 미분 제어의 조합) 제어 중 PI 제어만을 이용한 방식일 수 있다.
반면, 도 7의 ④ 구간은 개도 Map 제어 영역으로서, 전류 요구량 대비 밸브 개도 Map 제어 영역이다. 이러한 개도 Map 제어 영역의 운전은 유량 센서(410)의 측정 불가 영역으로 사전에 전류 요구량 대비 밸브 개도를 1:1 맵핑하여 운전할 수 있다.
특히, 도 7의 ③ 구간과 ④ 구간에 해당하는 극 저전류 영역 운전시에는 고전압 배터리 SOC에 따라서 운전 방법을 달리할 수 있다. SOC 저하 시에는 배터리 SOC 유지를 위해 강제 충전의 필요가 있으므로, 충분한 배터리 충전을 위해 밸브 개도를 더 이상 감소 시키지 않고, 스택이 배터리 충전 출력을 정상적으로 공급 할 수 있도록, 전술한 바와 같이 고정 목표 유량 및/또는 극 저유량으로 유지하고 있는 것이다.
이상에서와 같이, 첨부된 도면을 참조하여 본 실시예를 설명하였으나, 본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 실시예의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니며, 본 실시예의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 실시예의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 실시예의 범위에 포함된다.
200,300,400,500 : 공기 유량 제어 시스템
201,301 : 공기 블로워
202,302,403,503 : 연료 전지
210,310,410,510 : 유량 센서
220,320,420,520 : Rpm 센서
230,330,430,530 : 제어 유닛
401,501 : 공기 압축기
402,502 : 공기 압력 제어 밸브

Claims (18)

  1. 공기 유량 제어 시스템을 통해 공기 블로워에서 연료 전지로 공급되는 공기 유량을 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 공기 블로워의 제1 공기 유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량 보다 큰지를 판단하는 단계;
    상기 제1 전류 요구량이 상기 제2 전류 요구량 보다 작은 경우, 상기 공기 블로워에서 상기 연료 전지로 공급할 제1 목표 유량을 계산하는 단계;
    상기 제1 목표 유량이 유량 센서에서 표출 가능한 제2 공기 유량 보다 큰지를 판단하는 단계; 및
    상기 제1 목표 유량이 상기 제2 공기 유량 보다 작은 경우, 상기 제1 목표 유량을 극 저유량으로 설정하고, 상기 설정된 극 저유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 제3 전류 요구량과 제1 Rpm을 통해 상기 극 저유량을 제어하는 단계
    를 포함하는, 공기 유량 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전류 요구량이 상기 제2 전류 요구량 보다 큰 경우, 상기 제1 목표 유량보다 큰 제2 목표 유량을 계산하는 단계; 및
    상기 제2 목표 유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 제4 전류 요구량과 제2 Rpm을 통해 상기 제2 목표 유량을 제어하는 단계
    를 더 포함하는, 공기 유량 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 목표 유량이 상기 제2 공기 유량 보다 큰 경우, 배터리에서 발생된 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC 보다 작은지를 판단하는 단계
    를 더 포함하는, 공기 유량 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 배터리 SOC가 상기 제2 배터리 SOC 보다 작은 경우, 상기 제2 공기 유량을 고정 목표 유량으로 유지하는 단계; 및
    상기 유지된 고정 목표 유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 제5 전류 요구량과 제3 Rpm을 통해 상기 고정 목표 유량을 제어하는 단계
    를 더 포함하는, 공기 유량 제어 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 배터리 SOC가 상기 제2 배터리 SOC 보다 큰 경우, 제2 목표 유량보다 작은 제3 목표 유량을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 제3 목표 유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 제6 전류 요구량과 제4 Rpm을 통해 상기 제3 목표 유량을 제어하는 단계
    를 더 포함하는, 공기 유량 제어 방법.
  6. 공기 블로워에서 연료 전지로 공급되는 공기 유량을 측정하는 유량 센서;
    모터로부터 발생된 Rpm을 측정하는 Rpm 센서; 및
    상기 측정된 공기 유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 전류 요구량을 계산하고, 상기 계산된 전류 요구량에 매칭된 상기 Rpm을 통해 상기 공기 유량을 제어하는 제어 유닛을 포함하고,
    상기 제어 유닛은,
    상기 공기 블로워의 제1 공기 유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량 보다 큰지를 판단하는 제1 판단 모듈;
    상기 제1 전류 요구량이 상기 제2 전류 요구량 보다 작은 경우, 상기 공기 블로워에서 상기 연료 전지로 공급할 제1 목표 유량을 계산하는 제1 계산 모듈;
    상기 제1 목표 유량이 유량 센서에서 표출 가능한 제2 공기 유량 보다 큰지를 판단하는 제2 판단 모듈; 및
    상기 제1 목표 유량이 상기 제2 공기 유량 보다 작은 경우, 상기 제1 목표 유량을 극 저유량으로 설정하고, 상기 설정된 극 저유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 제3 전류 요구량과 제1 Rpm을 통해 상기 극 저유량을 제어하는 제1 제어 모듈
    을 포함하는, 공기 유량 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 제1 전류 요구량이 상기 제2 전류 요구량 보다 큰 경우, 상기 제1 목표 유량보다 큰 제2 목표 유량을 계산하는 제2 계산 모듈; 및
    상기 제2 목표 유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 제4 전류 요구량과 제2 Rpm을 통해 상기 제2 목표 유량을 제어하는 제2 제어 모듈
    을 더 포함하는, 공기 유량 제어 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 제1 목표 유량이 상기 제2 공기 유량 보다 큰 경우, 배터리에서 발생된 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC 보다 작은지를 판단하는 제3 판단 모듈
    을 더 포함하는, 공기 유량 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 제1 배터리 SOC가 상기 제2 배터리 SOC 보다 작은 경우, 상기 제2 공기 유량을 고정 목표 유량으로 유지하는 제3 제어 모듈; 및
    상기 유지된 고정 목표 유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 제5 전류 요구량과 제3 Rpm을 통해 상기 고정 목표 유량을 제어하는 제4 제어 모듈
    을 더 포함하는, 공기 유량 제어 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 제1 배터리 SOC가 상기 제2 배터리 SOC 보다 큰 경우, 제2 목표 유량보다 작은 제3 목표 유량을 계산하는 제3 계산 모듈; 및
    상기 계산된 제3 목표 유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 제6 전류 요구량과 제4 Rpm을 통해 상기 제3 목표 유량을 제어하는 제5 제어 모듈
    을 더 포함하는, 공기 유량 제어 시스템.
  11. 공기 유량 제어 시스템을 통해 공기 압축기 및 공기 압력 제어 밸브에서 연료 전지로 공급되는 공기 유량을 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 공기 압축기의 제1 공기 유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량 보다 크고 기설정된 제3 전류 요구량 보다 작은지를 판단하는 단계;
    상기 제1 전류 요구량이 상기 제2 전류 요구량 및 상기 제3 전류 요구량 보다 각각 작은 경우(상기 제2 전류 요구량은 상기 제3 전류 요구량 보다 작음), 배터리에서 발생된 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC 보다 작은지를 판단하는 단계;
    상기 제1 배터리 SOC가 상기 제2 배터리 SOC 보다 작은 경우, 상기 제1 공기 유량보다 작은 고정 목표 유량을 유지하는 단계; 및
    상기 유지된 고정 목표 유량을 상기 제2 전류 요구량 보다 작은 상기 제1 전류 요구량에 매칭된 제3 Rpm 및 상기 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 제어하는 단계
    를 포함하는, 공기 유량 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전류 요구량이 상기 제3 전류 요구량 보다 큰지를 판단하는 단계;
    상기 제1 전류 요구량이 상기 제3 전류 요구량 보다 큰 경우, 상기 공기 압축기에서 상기 연료 전지로 공급할 제1 목표 유량을 계산하는 단계; 및
    상기 제1 전류 요구량에 매칭된 제1 Rpm을 통해 상기 계산된 제1 목표 유량을 제어하는 단계
    를 더 포함하는, 공기 유량 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 전류 요구량이 상기 제2 전류 요구량 보다 크고 상기 제3 전류 요구량 보다 작은 경우, 상기 고정 목표 유량보다 크고, 상기 제1 목표 유량보다 작은 제2 목표 유량을 계산하는 단계; 및
    상기 제2 목표 유량에 대응하여 요구된 제2 Rpm의 제한하에, 상기 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 상기 제2 목표 유량을 제어하는 단계
    를 더 포함하는, 공기 유량 제어 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 배터리 SOC가 상기 제2 배터리 SOC 보다 큰 경우, 상기 고정 목표 유량과 동일한 제3 목표 유량을 계산하는 단계;
    상기 제3 목표 유량이 유량 센서에서 표출 가능한 제2 공기 유량 보다 작은지를 판단하는 단계; 및
    상기 제3 목표 유량이 상기 제2 공기 유량 보다 작은 경우, 상기 제3 목표 유량을 극 저유량으로 설정하고, 상기 설정된 극 저유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 제4 전류 요구량 대비 상기 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 상기 극 저유량을 제어하는 단계
    를 더 포함하는, 공기 유량 제어 방법.
  15. 공기 압축기 및 공기 압력 제어 밸브에서 연료 전지로 공급되는 공기 유량을 측정하는 유량 센서;
    모터로부터 발생된 Rpm을 측정하는 Rpm 센서; 및
    상기 측정된 공기 유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 전류 요구량을 계산하고, 상기 계산된 전류 요구량에 매칭된 상기 Rpm 및 상기 공기 압력 제어 밸브에 대한 개도 교정을 통해 상기 공기 유량을 조절하는 제어 유닛을 포함하고,
    상기 제어 유닛은,
    상기 공기 압축기의 제1 공기 유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 제1 전류 요구량이 기설정된 제2 전류 요구량 보다 크고 기설정된 제3 전류 요구량 보다 작은지를 판단하는 제1 판단 모듈;
    상기 제1 전류 요구량이 상기 제2 전류 요구량 및 상기 제3 전류 요구량 보다 각각 작은 경우(상기 제2 전류 요구량은 상기 제3 전류 요구량 보다 작음), 배터리에서 발생된 제1 배터리 SOC가 기설정된 제2 배터리 SOC 보다 작은지를 판단하는 제2 판단 모듈;
    상기 제1 배터리 SOC가 상기 제2 배터리 SOC 보다 작은 경우, 상기 제1 공기 유량보다 작은 고정 목표 유량을 유지하는 제1 제어 모듈; 및
    상기 유지된 고정 목표 유량을 상기 제2 전류 요구량 보다 작은 상기 제1 전류 요구량에 매칭된 제3 Rpm 및 상기 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 제어하는 제2 제어 모듈
    을 포함하는, 공기 유량 제어 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 제1 전류 요구량이 상기 제3 전류 요구량 보다 큰지를 판단하는 제3 판단 모듈;
    상기 제1 전류 요구량이 상기 제3 전류 요구량 보다 큰 경우, 상기 공기 압축기에서 상기 연료 전지로 공급할 제1 목표 유량을 계산하는 제1 계산 모듈; 및
    상기 제1 전류 요구량에 매칭된 제1 Rpm을 통해 상기 계산된 제1 목표 유량을 제어하는 제3 제어 모듈
    을 더 포함하는, 공기 유량 제어 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 제1 전류 요구량이 상기 제2 전류 요구량 보다 크고 상기 제3 전류 요구량 보다 작은 경우, 상기 고정 목표 유량보다 크고, 상기 제1 목표 유량보다 작은 제2 목표 유량을 계산하는 제2 계산 모듈; 및
    상기 제2 목표 유량에 대응하여 요구된 제2 Rpm의 제한하에, 상기 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 상기 제2 목표 유량을 제어하는 제4 제어 모듈
    을 더 포함하는, 공기 유량 제어 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제어 유닛은,
    상기 제1 배터리 SOC가 상기 제2 배터리 SOC 보다 큰 경우, 상기 고정 목표 유량과 동일한 제3 목표 유량을 계산하는 제3 계산 모듈;
    상기 제3 목표 유량이 상기 유량 센서에서 표출 가능한 제2 공기 유량 보다 작은지를 판단하는 제4 판단 모듈; 및
    상기 제3 목표 유량이 상기 제2 공기 유량 보다 작은 경우, 상기 제3 목표 유량을 극 저유량으로 설정하고, 상기 설정된 극 저유량에 대응하여 상기 연료 전지에 요구되는 제4 전류 요구량 대비 상기 공기 압력 제어 밸브의 개도 교정을 통해 상기 극 저유량을 제어하는 제5 제어 모듈
    을 더 포함하는, 공기 유량 제어 시스템.
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